浅埋大断面小净距隧道支护受力特性实测与模拟研究

李晓军， 杨正旭， 黄 锋， 王程平， 刘星辰

(1.重庆中环建设有限公司， 重庆 401120； 2.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

随着中国交通建设行业快速发展与建造水平的不断提高，公路隧道建设规模也随之骤增，而小净距隧道凭借其施工简易、缩短工期、节约用地等优点，近年来在中短隧道工程中广泛运用[1-5]，但隧道间施工扰动程度也随中夹岩厚度的减小而增大。此外，隧道断面尺寸及埋设深度通常与规划、设计、需求有关，倘若相邻隧道同时具备埋深浅、中夹岩薄弱、大断面等影响隧道稳定性的关键因素，隧道施工过程中极易诱发地表塌陷、隧道垮塌、管线变形等灾害[6-9]。因此，隧道开挖工法的选取与支护施工响应规律的研究可有效保证施工安全。

围绕着浅埋、小净距、大断面隧道的施工难点，众多学者利用现场监测、数值模拟等手段做了大量研究。腾俊洋等[10]通过数值模拟与现场监测手段对小净距隧道围岩压力状态及分布规律进行了分析，并进行了相关理论推导。文云波等[11]则以南湾隧道为背景，对穿越断层破碎带的小净距大断面隧道台阶法施工过程进行了数值模拟，并与实测结果进行了对比。闫虎等[12]对小净距隧道开挖过程进行了模拟，研究先后行洞各工序施工错开距离对先后行洞的围岩稳定性和衬砌的受力与变形规律的影响。李磊等[13]、Song等[14]、Jin等[15]、Wu等[16]采用理论分析、数值计算、现场监测等手段对多类小净距隧道围岩变形规律、支护受力特征等进行了研究。李军[17]、罗贞焱等[18]、贾锋[19]、卫鹏华[20]针对小净距隧的开挖方式进行了数值优化分析，指出了小净距隧道合理的支护结构及开挖方式。以往现场监测与数值模拟研究多单独考虑隧道埋深、隧道净距、隧道断面对隧道围岩稳定性的影响，而综合考虑三者共同影响下，隧道围岩及支护的施工响应规律研究较为少见，但其结论更具有代表性。

本文以重庆海天堡隧道为工程背景，针对砂质泥岩地质条件下浅埋大断面小净距隧道双侧壁导坑法开挖过程中衬砌背后围岩压力及支护结构内力进行了监测，并且利用ABAQUS有限元模拟软件对应进行了数值计算，通过监测结果与模拟结论的相互复核与补充，对浅埋大断面小净距隧道施工期间的围岩压力及支护受力响应进行了研究，其结论与建议可为相似隧道施工及工艺优化提供参考与借鉴。

1 工程概况与现场实测

1.1 工程概况

海天堡隧道位于重庆市北碚区，属于Z4路北延伸段二期道路工程关键控制性工程。隧道右线全长352 m(YK3+773-YK4+125)，左线全长377 m(ZK3+773-ZK4+150)，双向八车道，建筑限界净宽16.75 m，净高5 m，开挖面积约213.7 m2，隧道埋深4.5～22.87 m，为典型的浅埋大断面小净距隧道。图1为隧道纵向地质剖面图，可见隧道所处地层以砂质泥岩为主，围岩等级为Ⅳ～Ⅴ级，考虑到Z/YK3+840断面埋深浅且上覆松散破碎岩土层较厚，地层稳定性差，隧道支护结构承担较大的地层松弛荷载，施工风险较大。故择取断面1—1作为研究对象，如图2所示。

图1 隧道纵向地质剖面图

图2 研究断面1—1

1.2 现场实测

分别采用钢筋计(型号：GR-GJ22B)、压力盒(型号：GR-TY10B)、应变计(型号：GR-MRD)对研究断面1—1(ZK3+840)环向关键位置处的锚杆轴力、初支背后围岩压力、二衬结构内力进行监测，以全面获取隧道围岩与支护结构真实的施工响应。现场左/右洞监测点传感器布置如图3所示。

图3 左(右)监测点传感器布置

2 数值模拟

结合海天堡隧道详勘资料及施工流程，利用有限元软件ABAQUS针对研究断面1—1(Z/YK3+840)，建立了图4所示二维数值计算模型，考虑到边界效应的影响，模型尺寸设定为180 m×80 m，共划分11 618个单元，并在模型两侧及底部施加法向位移约束，上侧保持自由。

为了近似模拟工程实体，计算模型中隧道围岩与初期支护选用实体单元，而系统锚杆、临时钢支撑及二次衬砌结构均选用梁单元，以获取其内力状态。此外，分别选用线弹性本构、Mohr-Coulomb本构创建支护结构与隧道围岩材料。其中，锚杆采用EMBEDDED功能进行围岩嵌入接触，而围岩与支护结构之间均采用TIE接触(绑定)，具体模型材料参数见表1。

图4 模拟断面计算模型

表1 模型材料参数

浅埋大断面小净距隧道双侧壁导坑开挖模拟步骤大致可分3部分：①对土体地应力平衡；②对隧道开挖部分围岩强度折减40%[21]，模拟地应力释放，并按双侧壁导坑施工顺序删除开挖单元且对应激活初期支护、临时支撑结构，全部开挖总共分为12部分，如图2所示；③删除开挖部分围岩单元释放剩余部分地应力，隧道全断面开挖完成后，除去临时支撑并激活二衬结构单元。

3 结果与分析

3.1 锚杆轴力

小净距隧道拱顶及墙脚位置处系统锚杆锚固端实测轴力状态及变化趋势如图5所示(注：监测锚杆的植入日期及顺序与相邻隧道双侧壁导坑开挖步序有关，故开始监测日期不同)。右侧隧道作为先行洞，研究断面(YK3+840)处监测锚杆植入围岩后的18天内，锚杆轴力皆呈下降趋势，说明隧道上覆地层仍处于施工扰动后的应力调整阶段，因隧道埋深较浅，地层条件较差。当左侧隧道作为后行洞开挖至研究断面(ZK3+840)时，拱顶位置锚杆轴力逐渐增大，直至后行洞中上部核心土开挖完成，拱顶位置锚杆轴力达到峰值，与左洞未开挖至研究断面时相比增加了近1倍，随着右侧先行洞二衬的施作，拱顶锚杆轴力趋于稳定。这表明浅埋隧道支护结构在维持地层及结构稳定性方面发挥着关键性作用。相比之下，左侧后行隧道拱顶位置锚杆埋设初期并未出现轴力下降趋势，说明右侧先行隧道系统锚杆加固围岩的同时起到了地层压力拱减跨的效果，提高了地层的承载力。此外，隧道墙脚处锚杆出现轴向受压现象，这主要是因为隧道断面大且近似椭圆形状，在墙脚位置极易出现应力集中现象。与外侧墙脚处锚杆轴力相比，中夹岩处锚杆轴力较小，说明薄弱中夹岩对锚杆的约束效果差，施工过程中应配合使用对拉锚杆对中夹岩进行加固。

浅埋小净距大断面隧道开挖完成后，研究断面(Z/YK3+840)处系统锚杆的应力数值计算结果，如图6所示。通过计算得到锚杆轴力，其分布情况同现场监测结果基本一致，除外侧墙脚及中夹岩锚杆轴向受压以外，其余位置锚杆均轴向受拉，锚杆最大轴力值出现在右侧隧道拱顶处锚杆锚固端。考虑到篇幅有限，仅提取右侧隧道拱顶处锚杆轴力计算值与现场实测值随计算步/施工过程的响应规律对比，如图7所示，可见相同测点锚杆轴力的现场实测值较数值计算值小且有所波动，这可能是因为现场施工环境复杂且扰动频繁，而数值模型中难以完全符合真实情况，但是两者随分析步/施工过程的趋势基本一致，可以说明模拟结果是准确的且基本与实际工程相符。根据现场监测锚杆轴力最大值与φ25锚杆的最大抗拉力153 kN计算得出安全系数为8.36，说明锚杆结构受力处于安全范围内。

图6 锚杆应力云图

图7 系统锚杆实测及模拟轴力对比

3.2 围岩压力

隧道衬砌背后围岩压力现场实测结果如图8所示。伴随隧道施工，衬砌背后围岩压力在埋设之后均呈现增大-减小-平稳的变化趋势。此外，右侧隧道作为先行洞，其衬砌背后围岩压力明显小于左洞相同测点位置的围岩压力，可以说明后行隧道上覆地层的自主承载力较先行洞好。受左侧后行隧道中上核心土开挖的影响，右侧先行隧道拱顶处衬砌背后围岩压力减小，而墙脚处围岩压力有所增大，该现象的出现主要是中间核心土的开挖导致围岩应力重新分布造成的。伴随右侧及左侧隧道二次衬砌闭合成环，衬砌背后围岩压力也逐渐趋于稳定，左洞整体围岩压力明显小于右洞围岩压力，中夹岩处压力相差最明显，这表明浅埋大断面小净距的围岩压力在先行洞支护完成后加固了上覆围岩，从而降低了围岩压力。

现场实测结果显示，右侧隧道靠近中夹岩墙脚位置(YT-1)衬砌背后围岩压力最大，右洞拱顶位置(YT-2)受施工扰动产生明显的波动，与现场实测对应，从数值计算结果中提取右侧隧道靠近中夹岩的墙脚位置(YT-1)及拱顶(YT-2)衬砌背后围岩压力值，同时根据《公路隧道设计规范 第一册土建工程》(JTG 3370.1—2018)对该位置的最终围岩压力进行计算，三者对比如图9所示。可见，三者大小关系为：规范计算值>数值模拟值>现场监测值，其原因主要是现场传感器布置存在滞后性造成应力损失，数值计算存在模型简化引起的结果差异。虽然三者结果间存在差异，但在允许误差范围内，而且数值计算结果曲线与现场实测结果曲线走势也基本一致，说明数值计算的准确性，可基本反映隧道开挖过程中围岩压力真实的变化情况。

图8 衬砌背后围岩压力监测结果

图9 衬砌背后围岩压力结果对比

3.3 围岩应力

对不同分析步围岩最大主应力云图进行提取，如图10所示。从图中可以看出隧道的开挖使隧道拱腰及仰拱处围岩最大主应力变为拉应力，隧道周边围岩应力随开挖明显增大，且先行隧道附近的围岩最大应力更大，最大值为155 kPa，当两洞施作二衬之后，最大值主要分布在隧道仰拱附近，但最大主应力最大值减小至60.75 kPa，均远小于围岩单轴抗压强度。

图10 围岩应力分布云图

3.4 二衬内力

通过埋入式应变计测量衬砌内侧与外侧的应力，基于平截面假定原理计算出二衬弯矩与轴力，得到现场二衬结构的弯矩与轴力情况。现场监测二衬弯矩与轴力最终值与模拟结果对比如图11、图12所示。

图11 二衬弯矩分布对比

图12 二衬轴力分布对比

为了便于描述规定二衬弯矩内侧受拉为正，二衬轴力受拉为正。由图11、图12可见：左右洞弯矩与轴力整体分布情况相似，需要注意的是右洞的右拱腰承受的是正弯矩，这表明此位置是外侧受压，这是由于地形导致隧道受到偏压影响。但弯矩大小仍处于安全范围内，不会出现支护结构破坏的问题。根据公路隧道设计规范[21]计算现场监测的二衬安全系数，结果如图13所示，计算得最小安全系数出现在右洞墙脚处为5.51，大于规范规定安全系数2.4，其他位置也远大于2.4，满足衬砌结构安全的要求。

图13 二衬现场监测计算安全系数

从现场检测及模拟结果对比情况可以看出，二衬弯矩与轴力模拟最终值小于现场监测最终值。这是由于实际工程环境较为复杂，模拟难以完全体现实际情况，但弯矩与轴力的分布规律大致是相同的，说明模型建立基本正确，能够体现隧道二衬弯矩的分布情况。

4 结论

本文对海天堡浅埋大断面小净距隧道锚杆、围岩压力、二衬结构进行了现场监测分析，并结合数值模拟相互对比验证研究此隧道支护的施工响应规律，得到以下主要结论：

1)浅埋大断面小净距隧道中先行隧道支护可加固上覆围岩，实现地层压力拱减跨效果，利用后行隧道地层承载力，进而减轻支护结构负载。整体来看，相对于先行隧道，后行隧道锚杆轴力平均减少20.93%，围岩压力平均减少19.71%。且此效应对后行隧道中夹岩处围岩压力减轻最为明显。在施工中应当保证先行隧道支护效果与质量，有助于减轻后行隧道的支护荷载。

2)小净距隧道中夹岩薄弱破碎且经历多次隧道开挖扰动，围岩压力场分布复杂且多变，而此处锚杆则起到了加固与联结中夹岩的重要作用。本工程锚杆受力处于安全范围内，但在设计及施工中应当充分考虑此位置的支护措施并且加强监控量测，根据具体情况进行优化施工，保证中夹岩的安全稳定。

3)针对浅埋大断面小净距隧道开挖，双侧壁导坑法可有效控制围岩变形及压力释放程度，围岩压力大约45 d后稳定，二衬结构安全性也可以保证，整体施工安全稳定，基于该开挖方法的隧道围岩压力及支护受力施工响应规律可为优化施工方案及组织方面的研究提供借鉴与参考。